Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), 2007, № 5

В.Б. Терентьев 
Ю.В. Бубис 
И.А. Полякова 

РЕЗУЛЬТАТЫ 
ЭКСПЕРИМЕНТА 
НА ПОЛИГОНЕ «BENTHIC 
IMPACT EXPERIMENT)) 

IMS 

МОСКВА 

ИЗДАТЕЛЬСТВО МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО 

ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА 

2007 
А 

У Д К 622 
ББК 
33.3 
Т 3 5 

Книга 
соответствует 
(Гигиеническим 
требованиям 
к 
изданиям 
книжным для взрослых. СанПиН 1.2.1253-03», 
утвержденным 
Главным государственным 
санитарным врачам России 30 марта 2003 г. 

Терентьев В.Б., Бубис Ю.В., Полякова И.А. 

Т 35 
Результаты эксперимента на полигоне «Benthic Impact 

Experiment)): Отдельный выпуск Горного информационноаналитического бюллетеня. — 2007.— № 5. — 9 с. — М: 
Издательство 
Московского 
государственного 
горного 
университета, 2007. 

ISSN 0236-1493 

УДК 622 
ББК 33.3 

© 
В.Б. Терентьев, Бубис Ю.В., 
И.А. Полякова 

ISSN 0236-1493 
© Издательство МТУ, 2007 
© 
Дизайн книги. Издательство 
МГГУ, 2007 

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА 
НА ПОЛИГОНЕ «BENTHIC IMPACT 
EXPERIMENT* 

Особенностью экспериментов на полигоне «Benthic Impact 
Experiment* является не только снятие экологических характеристик, но и экспериментальная проверка возможных негативных 
последствий путем моделирования технологических процессов. 
Эти эксперименты позволили также получить данные для анализирования ряда взаимосвязей между характеристиками технологических процессов с горнотехническими и гидрометеорологическими параметрами полигонов. 

Эти исследования установили, что отдельные технические 
решения, которые базировались па прогнозе состояния экологического бентического сообщества, должны быть приведены в соответствие с итогом натурных наблюдений по программе «Bentic 
experiment)). 

Систематические экологические исследования рудной провинции Кларион-Клиппертон начаты с 1988 г., но при этом изучались только экологические фоновые показатели, т.е. содержание в воде биогенных компонентов, газов, активной микрофлоры 
и тяжелых металлов. 

Экспериментальные исследования по программе «Benthic 
Impact Experiment)), выполненные международными экспедициями на научно-исследовательском судне «Южморгеология», охватывали изучение всего многообразия экологических систем дна и 
вод океана, но для формирования экологически безопасных технологических схем добычи железно-марганцевых 
конкреций 
(ЖМК) и оценки, необходимой корректировки технических решений по системам добычной установки, представляют интерес 
для исследования по ниже приведенным направлениям. 

Эти наблюдения проводились в процессе имитации добычи 
на полигонах плато Клариона-Клиппертона и включают: 

• 
изучение особенностей фоновой геоэкологической обстановки на полигонах до моделирования добычного процесса; 
• 
изучение особенностей изменений геоэкологической обстановки при моделировании добычных процессов дисторбером с нарушением целостности донных отложений, прове

денисм выработок и формированием пульповых потоков в 
водных массивах над полигонами; 
• изучение возникших изменений в геоэкологической обстановке после работ с дисторбером во времени и пространстве. 
Процесс имитации добычи включал: проведение выработок 
по поверхности дна при перемещении буксируемого агрегата 
(дисторбера), грунтозаборе донных осадков и сбросе пульп донных осадков на дно океана. 

Модельный эксперимент добычи не повторял полностью 
возможный процесс разработки полигона ЖМК на плато Кларион-Клиппертон. При моделировании процесса породозабора 
предусматривалось исключение всасывания грунтозаборниками 
насосов самих железомарганцевых конкреций и их гидроподъем. 
Насосы должны были формировать донные выработки при выемке из них только осадка, т.е. вмещающих илов. Такая схема 
позволяет судить о возможных нарушениях фоновых характеристик на участке работ, но принятые к использованию конструктивные исполнения имитаторов 
(дисторберов) не учитывали 
проработки методов защиты окружающей среды от негативных 
особенностей свободного всасывания или всасывания с гидравлическим рыхлителем. Точно так же, изучение сброса пульповых потоков на высоте 10—35 м позволяет оценить не столько 
возможности последствия добычи, сколько последствия аварийных ситуаций. 

По при всех случаях эффективность наблюдений надо оценить не только по данным о фоновых характеристиках на исследуемых объектах и их изменчивости, но и, по возможности, 
оценки достоверности известных методик расчета процессов 
грунтозабора, процессов движения пульповых потоков и осаждения частиц и т.д. 

Основным источником нарушений являлась работа дисторбера (имитатора добычного устройства). В процессе испытаний 
после доводочных работ дисторбер имел вид пассивно буксируемого на салазках, т.е. несамоходного, аппарата массой около 3,2 т. 

На полозьях салазок из труб, диаметром 60 см, длиной 4,8 м 
и шириной между ними 2,4 м имеется рама с вертикальными 
шлангами, через которые производился гидроподъем и сброс 
пу льпы. Обработка данных о весовых и пространственных харак
х 

геристиках дисторбера позволяет утверждать, что исследования 
проводились при давлении на породу, создаваемом лыжами, порядка 0,055 кг/см". Фактически это давление было, вероятно, 
меньше, так как в составе (конструкции) дисторбера имелся специальный элемент плавучести. Необходимо также отметить, что в 
первых рейсах использовалась конструкция с более широкими 
полозьями — 70 см. 

Изучение полученных фотоснимков показывает отсутствие 
отпечатков полозьев и позволяет считать, что при проектировании добычных механизмов несущая способность донных пород 
должна приниматься порядка 0,055—0,075 кг/см

2. При этом отмечаем, что отдельные специалисты, бывшие в рейсе, утверждают, что при первоначальной конструкции дисторбера имелись такие отпечатки, т.е. целесообразно рассчитывать на давление не 
более 0,055 кг/см

2. 

Считаем необходимым отметить, что, по мнению авторов, 
исследования 1991—1992 гг. проводились на полигонах в заведомо нетипичной для рудной провинции локальной базисной 
впадине, в которой отсутствовали конкреции и типичные для 
конкрециеносных участков глинистые осадки иллитового или 
мотмориллонит-иллитового состава. Осадки этой базисной впадины по своему составу ближе к так называемым этмодискусовым илам с пониженной плотностью, повышенной влажностью 
и пористостью. Эти осадки наименее структурированы и отличаются аномально высокой взмучиваемостью и наибольшим 
временем осаждения. Поэтому по материалам рейсов 1991— 
1992 гг. можно представлять только возможную общую наихудшую для экологии поля картину распространения взвеси, что 
позволяет рассматривать ее как предельную негативную характеристику. 

На платформах дисторбера были смонтированы пульпообразующий и транспортный блоки. Основу этих блоков составляют 
два насоса с электродвигателями (7,5 л. с. при напряжении тока 
230 В и частотой 60 Гц). В основе этой модификации находится 
модель серийного насоса «Флайт» серии СР3127-180 типа НТ. Па 
первом образце дисторбера (1991 г.) эти насосы работали параллельно, производя свободное всасывание предварительно неразрыхленной породы. В следующей модели дисторбера только 

5 

один насос производил грунтозабор, а другой — подавал всю засасываемую им воду в систему гидравлического рыхлителя, 
представляющего систему из двух насадок. Хорошо размытые 
донные отложения засасывались грунтозаборным насосом и выбрасывались на высоту 10—35 м от дна. 

По данным ГП ЩТЭ «Южморгеология» на одну буксировку 
приходился объем 36 т при первой схеме против 102 т при второй 
схеме, т.е. почти в 6 раз больше на один насос. 

При этом было зафиксировано, что консистенция пульпы повысилась почти в 6 раз при всасывании объема вынутого осадка с 
1,6 тыс. т до 5 тыс. т при сокращении объема перекачиваемой 
пульпы вдвое. При работах первых рейсов из-за сравнительно 
плотной структуры, рассчитанная нами глубина воронки выемки 
под каждым насосом составляла до 2—3 см, при этом максимальная глубина соответствовала скорости перемещения — около 0,6 узла, т.е. 0,3 м/с. 

Вынутая порода в виде пульпы с консистенцией, вероятно, 
1:40—1:60 м

3/м

3 выбрасывалась над участком с соответствующим оборудованием наблюдений, на втором этапе исследования 
консистенция пульпы была повышена минимально до 1:5—1:10 
м

3/м

3, т.е. была ближе к той величине (1:10), которая принималась в расчетах технических средств. Так как объем выемки по 
каждому проходу буксировки практически не изменился, то 
можно считать, что глубина выемки выросла и в среднем составляла 6—8 см, т.е. достигала расчетных параметров. По данным 
исполнителей глубина выемки достигала 10 см при скорости буксировки 0,7—1,3 узла. 

Наблюдения за фоновой мутностью показали практически 
отсутствие взвеси около дна без выброса пульпы. Это позволяет 
уверенно утверждать, что существенное изменение мутности может произойти только путем выбросов пульпы. 

При проработках различных технологий и технических 
средств выемки конкреций и систем развития горных работ постоянно дискуссировался вопрос о возможном направлении развития горных работ. Дискуссионность определялась размещением полей конкреционностности на откосах холмов с различными 
уклонами. Имевшиеся характеристики пород, получаемые из литературных источников или при обработке на суше образцов, при 

б 

отсутствии полного подобия лабораторного эксперимента придонным условиям выемки, создавали у различных разработчиков 
противоположные прогнозы поведения породных массивов. Противоположности прогноза создавали и противоположности в 
принимаемых решениях. 

Работе дисторбера предшествовало изучение фоновой мутности на обрабатываемом участке. Многочисленные наблюдения 
в течение длительного времени позволяют утверждать, что фоновая мутность практически отсутствует. 

Работа дисторбера показала, что возможно перемещение 
фронта работ в направлении перпендикулярном изобатам. На 
имеющихся фотографиях видно, что при проведении выработок 
шириной 105 см, глубиной до 10 см, при расстоянии 120 см одна 
от другой не наблюдаются какие-либо нарушения устойчивости 
донных отложений. Представляется, что перерыв между параллельными выемками, достигающий более 6 часов, более чем достаточен для развития видимых деформаций, если бы формируемые напряжения превысили допустимые. Общее время существования выработок, видимых на ряде снимков, превышает месяц, 
что (подтверждает) достоверность утверждения о возможном направлении перемещения фронта горных работ, если руководствоваться величинами принятой скорости установившейся ползучести, т.е. скорости после возникновения установившихся предельных напряжений порядка 0,72 мм/сутки. Если бы выработки были 
бы не устойчивы, то можно было ожидать, по крайней мере, 
сдвижение не менее чем на 50 % глубины выработок. 

Перед работой дистробера был проведен большой комплекс 
натурных исследований по определению фоновых характеристик 
геоэкологических 
систем 
на 
полигоне 
«Benthic 
Impact 
Experiment)), находящемся в северо-восточной котловине Тихого 
океана между координатами 12°59'5" с.ш. — 13°00'1" с.ш. и 
128°2Г9" в.д. — 128°25'4" в.д. На полигоне были установлены 
измерители течения, станции отбора проб мультикоррерами и седиментационные ловушки. 

При этом были проведены наблюдения за животным глубоководным миром. Проведенные исследования уточнили, вопервых, изменение температурного режима океанических вод по 
вертикали. Установлено, что температура донных вод в пределах 

7 

от 1,4 до 2,0°С при температуре поверхностных вод 23—25°С с 
весьма неравномерным градиентом изменчивости температур по 
глубине. Для формирования структур добычных систем обычно 
представляет интерес положение вод с минимальным содержанием кислорода, которое было прослежено па глубине более 550 м. 
Подробное изучение изменчивости температур показывает, что в 
зоне первой сотни метров наблюдается резкое пороговое изменение температур с градиентом 0,1 °С / 1м глубины. Представляется, 
что такой высокий градиент температур делает этот слой, к тому 
же и наиболее биологически активным, и наиболее уязвимым к 
негативному воздействию от поступления в него вод с перепадом 
температур в 20—23°С. 

Отмечается, что изменение солености с 33,764—33,809 7 0 0 на 
поверхности и до 34,500 "/^ у дна при максимальном значении на 
глубине 160—190 м не оказывает влияния на принятие решения. 

Второй комплекс исследований был посвящен изучению фоновой мутности. По данным проведенных наблюдений, участники экспедиции считают, что мутность практически отсутствует. 
Это мнение корреспондируется с данными замеров горизонтальных придонных течений порядка до 5 см/с в придонном слое 3.75 
м от дна и в среднем около 2 см/с. 

Отдельные исследователи (В.А. Кулындышев) утверждают, 
что наблюдались подводные штормы, но в расчетах эти сведения 
отсутствуют. 

При изучении закономерностей распространения мутности при 
выемке и сбросе пород механизмами дисторбера временная продолжительность эксперимента охватывала почти четыре месяца. 

Считается, что выбрасываемая пульпа имела концентрацию 
порядка 80—120 г/литр, достигая максимально 200 г/литр, что 
соответствует данным по выемке пород дисторбера. 

При всей компактности выемки дисторбера, о чем свидетельствуют треки его движения по дну, авторы утверждают, что 
расстояние между соседними проходами составляли 1,2 м, т.е. 
выемка была осуществлена в пределах полигона длиной около 2 
км и шириной 45 м. Разнос тонких фракций отмечен на расстояние более 400 м, а крупные фракции оседали, по утверждению 
ГП ЦГГЭ «Южморгеолог ия», непосредственно около дисторбера. 
Облако мути, выпущенное на отметке 10 м (а в первый год — 30 м) 
s 

над дном, т.е. на отметке 4850 м, распространялось, в основном, в 
пределах глубин 4850—4750 м. Это можно объяснить либо наличием вертикальной составляющей придонных течений, либо выпуском пульпы под углом к горизонту. Конструкция дисторбера 
скорее дает основание для последнего мнения. 

Анализируя данные натурных наблюдений, отмечаем: 
• 
фоновая мутность равна практически нулевой, что соответствует теории размывающих скоростей, которая установила, что при скорости меньше 24 см/с даже самый мелкий 
песок не трогается с места, а при скорости 2 см/с не будет 
наблюдаться трогание фракции менее 0,001 мм; 
• 
путь осаждения мелких частиц крупнее 0,1 мм будет на 
расстоянии 50 м, а частицы 0,01 мм будут вынесены на расстояние 5 км и более при скорости 2—5 см/с, т.е., что соответствует данным наблюдений; 
• при выбросе со скоростью 2 м/с расчетный перенос частиц на расстояние 400 м соответствует крупности 0,2—0,3 
мм; 
• при наиболее высокой производительности можно ожидать намыв слоев, вмещающих на порядок слой естественного намыва. 
Так называемый профиль № 1 придонного гидрофизического 
зондирования через нарушенный участок полигона «Benthic Impact Experiment)) показывает, что верхняя граница распространения мутности — граница «султана», на удалении от границы полигона в 2—3 раза больше, чем ширина полигона выше точки 
выпуска почти на 100 м, а осаждение мелких фракций можно 
прогнозировать на расстоянии в 1 км и более. 

Последнее показывает, что неадекватность принятых технологических и технических решений может привести к созданию 
не только негативного воздействия на экологические системы, но 
и покрытию поверхности самого месторождения слоев осадка, 
что вызовет необходимость в других технологических и технических решениях для разработки запасов под слоем намытых 
вскрышных пород техногенного генезиса. 

Владимир Борисович Терентьев 
Юрий Вольфович Бубис 
Ирина Алексеевна Полякова 

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА 
НА ПОЛИГОНЕ «BENTHIC IMPACT 
EXPERIMENT)) 

Режим выпуска 
«стандартный» 

Выпущено в авторской редакции 
Компьютерная верстка 
и подготовка оригинал-макета И.А. Бокатенко 
Дизайн обложки Е.Б. Капрапова 
Полиграфическое производство П Н. Файнгор 

Подписано в печать 30.05.07. Формат 60x90/16. 

Бумага офсетная № 1. Гарнитура «Times». 

Печать трафаретная на цифровом дупликаторе. 
Усл. печ. л. 0,75. Тираж 500 экз. Заказ 1755 

ИЗДАТЕЛЬСТВО московского 
ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА 

Лицензия на издательскую 
деятельность 
ПР № 062809. Код издательства 
5X7(03) 

Оригинал-макет 
подготовлен в издательстве 
ООО «Горная книга» 

Отпечатано в типографии 
Издательства Московского государственного 
горного университета 

Лицензия 
на полиграфическую 
деятельность 

ПЛД № 
53-305 

О 
>. 
С 
м о 

779997 Москва, 
ГСП-1. 
Ленинский проспект, 6, Издательство 
МГГУ 
Телефон (495) 236-97-80; факс (495) 
956-90-40; 

тел./факс (495) 
737-32-65